CN110579626A - 微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法 - Google Patents

微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法，包括电容电压转换器、跨导/补偿放大器和反馈网络，电容电压转换器包括差动电容检测器和积分网络，差动电容检测器与加速度计表头的差动电容传感器连接，差动电容检测器、积分网络和跨导/补偿放大器依次连接，跨导/补偿放大器与加速度计表头的力矩器连接；伺服电路全部元器件采用厚膜混合集成工艺集成在陶瓷基片上，伺服电路采用金属全密封封装。本发明采用金属平行缝焊封装形式的石英挠性加速度计伺服电路，实现了伺服电路全密封化，解决了伺服电路在极端环境下可靠性问题和散热问题。

Description

微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法
技术领域
本发明涉及半导体混合集成电路设计技术，具体涉及一种微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法。
背景技术
石英挠性加速度计作为惯性敏感元件，是惯性导航和制导***中的关键器件之一，在运载火箭、导弹、飞船、舰船等导航与制导***中有广泛的应用。石英挠性加速度计伺服电路是石英挠性加速度计的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到了加速度计***的测量精度、稳定性，以及最终的导航的精度。随着惯导***对加速度计轻量化、大量程、匹配性、高可靠等方面的要求越来越高，体积大、量程小、采用非全密封封装形式的传统石英挠性加速度计伺服电路，在性能上已经无法满足新型加速度计的要求，并且在制作工艺上不能满足特殊环境条件下的使用，故设计具有体积小、大量程输出、金属全密封、匹配性好的石英挠性加速度计伺服电路对提升惯导***的性能与可靠性具有重要意义。
传统石英挠性加速度计伺服电路的实现方式存在以下不足：
1、电路体积大，不能满足惯导***的轻量化要求。
传统石英挠性加速度计伺服电路体积较大，质量较大，外形尺寸为Φ25.4mm×5.7mm，质量达9克，元器件小型化程度低，限制了惯导***轻量化的发展。
2、电路输出电流能力较小，无法满足加速度传感器的大量程需求。
传统石英挠性加速度计伺服电路电流输出能力较弱，加速度测量范围较小，无法满足加速度计大量程的发展方向。而采取分立元件搭建起来的跨导放大模块虽然可提升电路电流的输出能力，但其体积大、集成度低、可靠性低，极大程度的限制了加速度计小型化的发展。
3、密封性能较差，无法满足极端环境要求。
传统石英挠性加速度计伺服电路采用半圆陶瓷盖板加环氧胶封装，属非气密性封装，若电路直接长期处于潮湿环境中，会出现内部气氛水汽含量过高的情况，影响其可靠性，对后续***级封装(加速计传感器与伺服电路)要求较高。
4、动态特性范围调整性差，无法实现***调整。
传统石英挠性加速度计伺服电路通过对电路内部积分网络和反馈网络的匹配来确定电路的动态参数。对于惯导***来说，传统伺服电路动态参数已固定，匹配范围无法调整，与加速度传感器的匹配要求较高，无法在电路外部进行调整，制约了电路的使用条件。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法，该方法采用基于厚膜工艺的混合集成电路技术，将伺服电路全部元器件集成在直径Φ17.2mm的陶瓷基片上，实现伺服电路微型化。通过改进制作工艺和优化芯片版图设计，降低跨导/补偿放大器输出级三级管的饱和压降，增加功率输出，可提高电路的电流输出能力和加速度计量程。电路采用金属圆形全密封封装形式，采用平行缝焊封装工艺，极大提高了电路的散热性和可靠性。通过预留***PID控制端口，可根据***反馈对电路进行动态参数调整，使得电路由于动态参数可配置的特点，实现了伺服与加速度传感器良好匹配。
为了达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：
一种微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路，包括电容电压转换器、跨导/补偿放大器和反馈网络，所述电容电压转换器包括基准三角波发生器、差动电容检测器和积分网络，差动电容检测器与加速度计表头的差动电容传感器连接，差动电容检测器、积分网络和跨导/补偿放大器依次连接，跨导/补偿放大器与加速度计表头的力矩器连接；反馈网络与跨导/补偿放大器连接；电容电压转换器、跨导/补偿放大器均采用集成电路，积分网络、反馈网络采用分立器件，伺服电路全部元器件采用厚膜混合集成工艺集成在陶瓷基片上，伺服电路采用金属全密封封装。
所述的电压电容转换器由正三端稳压器和负三端稳压器提供工作电压；正三端稳压器、负三端稳压器、电容电压转换器及跨导/补偿放大器均采用集成电路。
所述的陶瓷基片尺寸为
所述的电容电压转换器的型号为LZF15，跨导/补偿放大器的型号为LB314。
所述的正三端稳压器、负三端稳压器、电容电压转换器、跨导/补偿放大器使用绝缘胶粘接在陶瓷基片上。
所述的伺服电路尺寸为所述的伺服电路中的电容采用0603尺寸微型片式独石电容。
微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路的加工方法，包括以下步骤：
伺服电路采用厚膜混合集成工艺，对电路版图进行多层布局布线，通过丝网印刷和烧结等厚膜工艺在基片上制作无源网络，并在其上组装半导体器件和微型元件；集成电路芯片使用绝缘胶粘接在陶瓷基片上，并通过键合技术实现与厚膜基片上无源网络的电气互连。
还包括跨导/补偿放大器输出功率管深磷扩散工序，在集成电路版图设计上增加跨导/补偿放大器输出功率管晶体管面积，并采用环状集电极。
伺服电路采用金属圆形平行缝焊封装，封装前对电路内腔进行加热烘烤和抽真空；电路筛选过程中，进行检漏筛选；伺服电路中的电容使用微型片式独石电容，电容组装采用再流焊焊接工艺。
所述的伺服电路还预留***PID控制端口，用于对电路进行动态参数调整。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用基于厚膜工艺的混合集成电路的小型化设计，正三端稳压器、负三端稳压器、电容电压转换器、跨导/补偿放大器均采用专用集成电路，片式电路采用0603尺寸微型片式独石电容，集成后，电路体积、重量较基本型石英挠性加速度计伺服电路均有较大幅度的降低，伺服电路可以与匹配的石英挠性加速度传感器组成微型加速度计，实现加速度计***小型化。通过在制作工艺上增加跨导/补偿放大器输出功率管深磷扩散工序，在集成电路版图设计上增加跨导/补偿放大器输出功率管晶体管面积，并采用环状集电极，降低集电极到埋层的串联电阻，实现降低跨导/补偿放大器输出级三级管的饱和压降，增加功率输出，提高了电路的电流输出能力和加速度计量程。通过电路跨导放大器芯片输出级功率管的设计，提高了电路电流输出能力，量程可达70g(g为重力加速度)，满足加速度计的大量程测量要求。采用金属平行缝焊封装形式的石英挠性加速度计伺服电路，实现了伺服电路全密封化，解决了伺服电路在极端环境下可靠性问题和散热问题。通过预留***PID控制端口，可根据***反馈对电路进行动态参数调整，使得电路具有动态参数可配置的特点，保证了伺服与加速度传感器良好匹配。
附图说明
图1为本发明石英挠性加速度计结构图；
图2为本发明电路结构图；
图3为本发明电路外形图；
图4为本发明电路跨导/补偿放大器NPN管纵向结构图；
图5为本发明电路跨导/补偿放大器NPN管平面结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施情况做进一步的说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明一种微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路，加速度计包括表头和伺服电路，表头包括依次连接的力矩器、摆组件动力学模块和差动电容传感器，伺服电路包括依次连接的电容电压转化器、跨导/补偿放大器。电容电压转换器与加速度计表头的差动电容传感器连接，跨导/补偿放大器与加速度计表头的力矩器连接，积分网络、反馈网络与电容电压转换器和跨导/补偿放大器相连。正三端稳压器、负三端稳压器、电容电压转换器、跨导/补偿放大器均采用集成电路，积分网络、反馈网络采用分立器件，伺服电路全部元器件采用厚膜混合集成工艺集成在陶瓷基片上，伺服电路采用金属全密封封装。
石英挠性加速度计伺服电路主要由电容电压转换器，跨导/补偿放大器等部分组成。石英挠性加速度计结构图如图1所示。当沿加速度计的输入轴有加速度ai作用时，差动电容传感器摆片偏离中心位置，产生电容变化量为2ΔC,伺服电路中的电容电压转换器(LZF15)检测这一变化而输出电流，该电流由积分网络积分后输出电压，然后由跨导/补偿放大器(LB314)把电压放大并变换成电流，该电流的大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向，输出电流被加到表头的力矩器上，于是产生再平衡力矩，通过摆组件以平衡因ai引起的惯性力矩。
该电路中，正三端稳压器7809和负三端稳压器7909为电容电压转换器LZF15提供工作电压，石英挠性加速度计伺服电路结构图如图2所示。
电路采用厚膜混合集成工艺，使用电子制版软件对电路版图进行多层布局布线，形成工艺制作数据，将工艺制作数据转化制作为光绘底片，再根据光绘底片制作厚膜印刷漏版，通过丝网印刷和烧结等厚膜工艺在基片上制作无源网络，并在其上组装半导体器件芯片和微型元件。正三端稳压器、负三端稳压器、电容电压转换器、跨导/补偿放大器为专用集成电路，使用绝缘胶粘接在陶瓷基片上，并通过键合技术实现芯片压焊点与厚膜基片上无源网络的电气互连，使用0603尺寸微型片式独石电容，电容组装采用再流焊工艺，电阻通过将电阻浆料印刷烧结在陶瓷基片上，并通过激光调值保证阻值精度。
集成优化后的电路基片尺寸为外形尺寸为：电路外形见图3。体积较传统石英挠性加速度计伺服电路减少了52％；电路质量为5.5g，较传统石英挠性加速度计伺服电路减少了40％。
本发明提高伺服电路的输出电流是通过降低跨导/补偿放大器输出级三极管饱和压降，增加功率输出来实现的。影响三极管饱和压降的一个重要因素为集电极串联电阻，在版图设计和制作工艺上采取了以下措施降低饱和压降。输出功率管纵向结构如图4中(a)所示，集电极串联电阻主要有三个：集电极到埋层的串联电阻R1，埋层电阻R2，埋层到基区的串联电阻R3。其中电阻R1电阻值最大，是另两个电阻和的两倍以上。因此，通过减小R1阻值可有效的降低功率放大模块输出级三极管的饱和压降。降低R1阻值的方法为：在制作工艺上增加深磷(DN)扩散工序，深磷的方阻和外延层(N-)的方阻相差数十倍，因此增加深磷工艺可以有效的降低集电极串联电阻，阻值可降低75％～85％，改进后的工艺如图4中(b)所示；在版图设计上，增加晶体管面积，并采用环状集电极，降低集电极串联电阻，达到降低饱和压降和增加输出功率的目的，NPN管平面结构图如图5。使用改进后功率放大集成电路，有效的提升了伺服电路的性能，提高了加速度计的量程，输出量程可达70g。
提高伺服电路的输出电流是通过在制作工艺上增加跨导/补偿放大器输出功率管深磷扩散工序，在集成电路版图设计上增加跨导/补偿放大器输出功率管晶体管面积，并采用环状集电极，降低集电极到埋层的串联电阻，降低跨导/补偿放大器输出级三极管饱和压降，增加功率输出来实现的。
本发明的原理为：采用基于厚膜工艺的混合集成技术，将伺服电路全部元器件集成在直径Φ17.2mm的陶瓷基片上，实现伺服电路微型化。通过优化芯片版图设计和改进制作工艺，降低功率放大电路输出级三级管的饱和压降，增加功率输出，可提高电路的电流输出能力和加速度计量程。电路采用金属圆形全密封封装形式，极大提高了电路的散热性和可靠性。通过预留***PID控制端口，可根据***反馈对电路进行动态参数调整，使得电路具有动态参数可配置的特点，保证了伺服与加速度传感器良好匹配。
本发明一种微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路的加工方法为：采用厚膜混合集成工艺，对电路版图进行多层布局布线，通过丝网印刷和烧结等厚膜工艺在基片上制作无源网络，并在其上组装半导体器件和微型元件。专用集成电路芯片使用绝缘胶粘接在陶瓷基片上，并通过键合技术实现与厚膜基片上无源网络的电气互连，使用0603尺寸微型片式独石电容，电容组装采用再流焊工艺。电路中跨导放大模块输出功率管在制作工艺上增加深磷扩散工序，在集成电路版图设计上增加晶体管面积，并采用环状集电极，可降低集电极串联电阻，达到降低饱和压降和增加输出功率的目标，从而增大电路的输出电流。电路采用金属圆形平行缝焊封装，属于全密封封装形式，封装前对电路内腔进行加热和抽真空，降低电路腔内的水汽含量和氧分子含量，电路筛选过程中，进行检漏筛选，可提高电路可靠性，且金属封装便于电路散热。
伺服电路封装采用平行缝焊焊接工艺。平行缝焊作为一种高可靠的气密性封装方法，在金属陶瓷管壳及金属管壳封装中应用广泛。平行缝焊是一种电阻焊，通常用两个锥形的滚轮电极与金属盖板接触后形成闭合回路，焊接电源形成的脉冲电流，经电极和盖板形成回路，整个回路中电极与盖板接触处存在较大接触电阻，通电电阻发热使得接触位置产生大量的焦耳热，由于热量集中，使得盖板与管壳围框的接触位置呈熔融状态，凝固后形成一连串相互交叠的焊点，获得连续致密的冶金结合，形成高气密性焊缝，保证了电路内部器件与外界环境的隔绝，避免外界气氛的影响，限制了电路封装腔体内水汽含量和自由粒子等。平行缝焊的基本工艺流程包括真空烘烤预处理、点焊预固定和平行缝焊。电路筛选过程中，依据国军标《微电子器件试验方法和程序》对电路进行检漏筛选，确保电路的密封性。电路采用圆形金属全密封封装，该封装形式改善了电路的散热性，提高了电路的可靠性。
电路动态参数对于加速度传感器与伺服电路匹配至关重要，影响电路匹配性。电路动态参数包括电路的谐振频率、带宽、振荡度、超调量、半波振荡次数。通过预留***PID控制端口，可对电路动态参数进行调整。其中1、2、3、14、15、16均为预留控制端口，引出端如表1所示。若1与2接通，15与16接通，3和14悬空，该状态为基本态，该状态下若伺服电路与加速度传感器匹配良好，则不需要进行外部***控制。
表1
序号 符号 引出端功能
1 Rext1-1 反馈网络控制端口1
2 Rext1-2 反馈网络控制端口2
3 Rext1-3 反馈网络控制端口3
4 M<sub>H</sub> 接力矩器高端
5 M<sub>L</sub> 接力矩器高端
6 V<sub>S+</sub> 正电源端
7 GND 地
8 V<sub>S-</sub> 负电源端
9 V<sub>O+</sub> 稳压器正输出端
10 V<sub>O-</sub> 稳压器正输出端
11 Tesf 自检端
12 C<sub>+</sub> 差动电容检测端1
13 C<sub>-</sub> 差动电容检测端2
14 Rext2-1 积分网络控制端口1
15 Rext2-2 积分网络控制端口2
16 Rext2-3 积分网络控制端口3
由于加速度传感器工艺参数一致性问题，基本态伺服电路无法匹配某些加速度传感器，可根据***反馈，通过PID控制改变积分网络状态、反馈网络状态对电路进行动态参数调整，其中14端和16端之间可通过并联电容的方式，15端和16端通过串联电阻的方式来调整积分网络状态；1端和7端之间通过并联电容的方式，2端和3端之间通过并联电阻的方式，1端和2端串联电阻的方式改变反馈网络状态，通过上述***PID调整，可使得伺服电路与加速度传感器匹配良好，实现加速度计***稳定。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，包括电容电压转换器、跨导/补偿放大器和反馈网络，所述电容电压转换器包括基准三角波发生器、差动电容检测器和积分网络，差动电容检测器与加速度计表头的差动电容传感器连接，差动电容检测器、积分网络和跨导/补偿放大器依次连接，跨导/补偿放大器与加速度计表头的力矩器连接；反馈网络与跨导/补偿放大器连接；电容电压转换器、跨导/补偿放大器均采用集成电路，积分网络、反馈网络采用分立器件，伺服电路全部元器件采用厚膜混合集成工艺集成在陶瓷基片上，伺服电路采用金属圆形全密封封装。
2.根据权利要求1所述的微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述的电压电容转换器由正三端稳压器和负三端稳压器提供工作电压；正三端稳压器、负三端稳压器、电容电压转换器及跨导/补偿放大器均采用集成电路。
3.根据权利要求1所述的微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述的陶瓷基片尺寸为
4.根据权利要求1所述的微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述的电容电压转换器的型号为LZF15，跨导/补偿放大器的型号为LB314。
5.根据权利要求4所述的微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述的正三端稳压器、负三端稳压器、电容电压转换器、跨导/补偿放大器使用绝缘胶粘接在陶瓷基片上。
6.根据权利要求1所述的微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述的伺服电路尺寸为所述的伺服电路中的电容采用0603尺寸微型片式独石电容。
7.如权利要求1所述的微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
伺服电路采用厚膜混合集成工艺，对电路版图进行多层布局布线，通过丝网印刷和烧结等厚膜工艺在基片上制作无源网络，并在其上组装半导体器件和微型元件；集成电路芯片使用绝缘胶粘接在陶瓷基片上，并通过键合技术实现与厚膜基片上无源网络的电气互连。
8.根据权利要求7所述的微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路的加工方法，其特征在于，还包括跨导/补偿放大器输出功率管深磷扩散工序，在集成电路版图设计上增加跨导/补偿放大器输出功率管晶体管面积，并采用环状集电极。
9.根据权利要求7所述的微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路的加工方法，其特征在于，伺服电路采用金属圆形平行缝焊封装，封装前对电路内腔进行加热烘烤和抽真空；电路筛选过程中，进行检漏筛选；伺服电路中的电容使用微型片式独石电容，电容组装采用再流焊焊接工艺。
10.据权利要求7所述的微型金属全密封石英挠性加速度计伺服电路的加工方法，其特征在于，所述的伺服电路还预留***PID控制端口，用于对电路进行动态参数调整。
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